吳士平，郭景杰，張 軍，傅恒志，

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

(2.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安710072)

鈦合金鑄件精密成形理論與技術(shù)研究進展

吳士平1，郭景杰1，張 軍2，傅恒志1，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

(2.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安710072)

由于航空、航天用零部件對材料比強度有很高的要求，因此鈦合金作為一種高比強合金在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，而且這類零部件常采用薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)。若采用水冷坩堝方式熔煉鈦合金，會導(dǎo)致鈦合金熔體流動性差，因此，離心鑄造方法已成為鈦合金薄壁復(fù)雜鑄件精密成形的主要方法。介紹了離心場下鈦合金鑄件精密鑄造成形理論及技術(shù)的發(fā)展過程，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了離心場下鈦合金熔體的充型、凝固行為及鑄件缺陷形成規(guī)律，提出了立式離心鑄造技術(shù)改進方案，并對未來離心場下成型理論與技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

離心場;鈦合金;精密成形;理論與技術(shù)

1 前言

鈦合金作為一種高比強合金在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。由于航空、航天用零部件對材料比強度有很高的要求，薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件是常采用的結(jié)構(gòu)，眾所周知，采用水冷坩堝熔煉鈦合金，導(dǎo)致鈦合金熔體流動性差，因此，離心鑄造成為鈦合金薄壁復(fù)雜鑄件精密成形的主要方法。近年來隨著鈦合金鑄造技術(shù)的不斷提高，需要鈦合金成形理論與技術(shù)的支持。因此，離心鑄造的理論研究再一次受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［1-4］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭景杰教授率先在這一領(lǐng)域開展了充型過程的研究［5］，在他的研究中首先將科氏力引入到合金熔體充型流動中來，并采用數(shù)學(xué)解析的方法建立了合金熔體在中心澆道、橫澆道中自由表面的方程，并且給出了充型過程在橫澆道內(nèi)流動變化的規(guī)律，并以鈦合金排氣閥的成形為研究背景，研究了偏軸線縮松的形成規(guī)律。此后，徐達鳴等人采用數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合溫度場和流場計算模擬了衛(wèi)星鑄件的溫度場［6-8］，解決了數(shù)學(xué)解析法在傳熱和流動解析方面的不足，給出了合金熔體充型流動過程的流動規(guī)律和溫度變化規(guī)律。在數(shù)值模擬研究基礎(chǔ)上，作者［9-13］提出了離心場下縮孔、縮松預(yù)測的臨界補縮固相率計算公式和相應(yīng)的規(guī)律。與此同時，采用高速攝影技術(shù)開展了鈦合金離心鑄造成形的物理模擬和實驗驗證。獲得了成形過程中缺陷形成的規(guī)律，此外，借助于實際澆注鑄件，通過觀察實驗結(jié)果，進一步驗證了成形中的一些規(guī)律，隋艷偉［14］等人采用實際澆注鈦合金和銅合金的方法獲得了縮孔、氣孔和夾雜等在離心力場下的分布特征，并根據(jù)這些特征給出了熔體在離心力場下缺陷形成的規(guī)律。

離心場下成形規(guī)律的研究一方面是由于立式離心鑄造技術(shù)需求而受到重視［15-17］，另一方面也是為了完善離心場下材料的制備、成形理論而受到關(guān)注［18］，這些理論的提高與技術(shù)的進步必將為生產(chǎn)和社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 離心場下鈦合金成形規(guī)律

2.1 充型流動規(guī)律

2.1.1 充型流動數(shù)學(xué)模型及其流動規(guī)律

立式離心鑄造過程中，合金熔體經(jīng)過中心澆道(直澆道)、橫澆道、內(nèi)澆道然后進入到型腔，合金熔體在澆注系統(tǒng)各組元及型腔內(nèi)的流動規(guī)律直接影響到鑄件的質(zhì)量。

2.1.1.1 合金熔體充型流動數(shù)值計算數(shù)學(xué)模型

在離心場作用下，質(zhì)點將受到離心力的作用，同時還要受到重力的作用，與此同時，當(dāng)質(zhì)點相對于旋轉(zhuǎn)中心存在徑向運動時還將受到科氏力的作用，其受力模型如圖1所示。

圖1 熔體在離心場下的受力分析Fig.1 Schematic diagram of forces analysis of melt in Centrifugal field

于是，合金熔體質(zhì)點在離心場下所受到的合力如公式(1)所示。

式中:Fce——離心力;Fco——柯氏力;G——重力

質(zhì)點在3個方向的加速度分別為:

其中ω為鑄型旋轉(zhuǎn)速度，xi為質(zhì)點旋轉(zhuǎn)半徑在x軸上的分量，yi為質(zhì)點旋轉(zhuǎn)半徑在y軸方向上分量，vxi為質(zhì)點在x方向上的速度分量，vyi為質(zhì)點在y方向上的速度分量，g為重力加速度。

在離心場下熔體的運動依然滿足N-S方程。

動量守恒(Navier-Stoks)方程:

3 個方向的加速度分別為:gx=xω2+2ωvx;gy=yω2-2 ωvy;gz=g

2.1.1.2 充型流動規(guī)律

采用上述數(shù)學(xué)模型，對離心場下成形過程的中心澆道、橫澆道及試驗件型腔內(nèi)的充型流動及自由表面形貌等進行了計算和數(shù)值模擬。

①中心澆道內(nèi)流動規(guī)律

由計算可知，由于離心力的作用，中心澆道內(nèi)的合金熔體在澆注過程中，其液面呈拋物面形狀。圖2所示為確定工藝條件下TiAl基合金熔體在中心澆道內(nèi)自由表面的形狀［4］。

②橫澆道內(nèi)流動規(guī)律

根據(jù)澆注系統(tǒng)內(nèi)流體運動方程計算可知，合金熔體在向前充型流動的同時，自由表面發(fā)生傾轉(zhuǎn)，其傾轉(zhuǎn)角度隨充型長度的變化規(guī)律如圖3所示，即隨著充型長度的增加，傾轉(zhuǎn)角逐漸逼近90°。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下的熔體自由表面Fig.2 Free-surfaces of melt under different rotating speeds

同時，橫澆道內(nèi)合金熔體橫截面積隨填充長度的變化表明，橫截面隨充型長度的增加減小，減小的規(guī)律是逐漸逼近0，橫截面積的變化規(guī)律如圖4所示。

③鑄型內(nèi)流動規(guī)律

圖3 熔體橫截面自由表面傾角Fig.3 Free surface angles of cross-section of melt

圖4 熔體橫截面面積Fig.4 cross-section areas of melt

運用上面建立的數(shù)值模擬模型對實際澆注鑄件的充型過程進行了數(shù)值模擬，如圖5所示，模擬結(jié)果表明，在正向填充時沿澆道后壁充填，在反向填充時，自由液面呈現(xiàn)弧面，弧心就是旋轉(zhuǎn)中心。充型過程的數(shù)值模擬表明，當(dāng)合金熔體在鑄型內(nèi)流動時，其自由液面是一個弧面，弧心就是旋轉(zhuǎn)中心。采用數(shù)值模擬技術(shù)還獲得了充型及凝固過程鑄件的溫度分布及鑄件上各點壓力的分布。

圖5 澆注試驗件充型過程數(shù)值模擬:(a)充型過程溫度場，(b)凝固過程溫度場，(c)壓力場Fig.5 Numerical simulation of the mold filling process for experimental castings:(a)temperature field during filling process，(b)temperature field during solidification process，and(c)pressure field

2.1.2 充型流動過程的水力學(xué)模擬

圖6所示為水力學(xué)模擬實驗裝置。采用如圖7所示鑄型。離心場下充型過程水力學(xué)模擬表明，充填包括正向充填和反向充填2個過程。但是，在離心力場下內(nèi)澆道的開設(shè)與旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，如圖8所示，同是側(cè)注式，但是當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向改變時，合金熔體由于沿澆注系統(tǒng)后壁流動的特征，可以從靠近直澆道的內(nèi)澆道直接進入到型腔，因此，在選擇旋轉(zhuǎn)方向時，要考慮內(nèi)澆道的開設(shè)位置。

圖6 水力學(xué)模擬試驗裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of hydraulic simulation experiment

2.1.3 鈦合金澆注實驗結(jié)果

用離心澆注機實際澆注了鈦合金實驗鑄件，澆注實驗進一步驗證了鈦合金離心力場下在橫澆道和型腔內(nèi)充型的形貌和規(guī)律，如圖9所示，可以看到中心澆道的形貌，合金熔體在橫澆道內(nèi)沿后壁充填及充填過程橫截面旋轉(zhuǎn)和面積減小的結(jié)果。實驗結(jié)果還揭示了旋轉(zhuǎn)方向?qū)?nèi)澆道充填的的影響，同時可以看到在鑄型部分充填過程中自由液面的形貌，是一系列指向旋轉(zhuǎn)中心的圓弧面。

圖9 鈦合金試驗件(n=160 r/min)Fig.9 Test castings of titanium alloy

2.2 凝固組織演化規(guī)律

2.2.1 凝固組織模擬數(shù)學(xué)模型

假設(shè)離心壓力不影響熔化潛熱，形核率可以表示為［15］:

離心壓力對熔點和過冷度產(chǎn)生影響，但是在不同點，影響大小不同，以鈦為例，假設(shè)熱過冷很小，將離心壓力下不同點的形核率和常壓下的形核率進行比較，得到下式:

ΔT0為熱過冷，ΔT1壓力過冷，P0常壓，P1離心壓力。在離心壓力下各點的相對形核率可以簡化為下式:

ΔT為由于離心壓力作用產(chǎn)生的過冷度，不同點的過冷度是不一樣的，得到的比值也不同。

2.2.2 凝固組織演化規(guī)律

使用Procast的CAFé模塊(組織模擬模塊)對圓筒形鑄件進行了凝固過程組織模擬，獲得了該鑄件不同部位與不同截面處的凝固組織特征，如圖10所示。

改變鑄造工藝參數(shù)，獲得了鑄型溫度、轉(zhuǎn)速及澆注溫度對鈦合金不同部位凝固組織的影響，如圖11所示。從圖可以看出各影響因素對厚壁部位凝固組織晶粒度有影響，其中澆注溫度和鑄型溫度影響較為明顯。

圖10 圓筒形鑄件及其不同部位截面模擬組織:(a)圓筒形鑄件，(b)不同部位組織模擬，(c)不同截面組織模擬Fig.10 Simulation microstructures of cylindrical casting and different parts and sections:(a)cylindrical castings，(b)microstructural simulation of different parts，and(c)microstructural simulation of different sections

圖11 不同部位晶粒尺寸的對比:(a)鑄型溫度對晶粒度的影響，(b)澆注溫度對晶粒度的影響，(c)轉(zhuǎn)速對晶粒度的影響Fig.11 Comparison of grain size of different sections:(a)effects of mold temperature on grain size，(b)effects of pouring temperature on grain size，and(c)effects of rotational speed on grain size

2.3 缺陷形成規(guī)律

2.3.1 縮孔形成規(guī)律

2.3.1.1 臨界補縮固相率計算模型

根據(jù)臨界補縮固相率的分布規(guī)律，當(dāng)角速度為零時，臨界補縮固相率應(yīng)該為重力下的臨界補縮固相率，而當(dāng)角速度為無窮大時，臨界補縮固相率應(yīng)該趨近于1。所以臨界補縮固相率滿足下式:

式中:fcfs—臨界補縮固相率;ω—角速度;fgs—重力場下臨界補縮固相率;R—半徑

圖12顯示了臨界補縮固相率與旋轉(zhuǎn)速度及所處半徑位置的關(guān)系，可以看出，隨著轉(zhuǎn)速和半徑的增大，臨界補縮固相率逐漸趨近于1。

2.3.1.2 縮孔的數(shù)值模擬

用上述研究建立的縮孔預(yù)測模型模擬了試驗件，模擬結(jié)果顯示了縮孔的預(yù)測和實際結(jié)果相近，圖13d顯示了鑄件上縮孔的特征，數(shù)值模擬結(jié)果也揭示了這一規(guī)律，既縮孔指向旋轉(zhuǎn)中心。

2.3.2 離心力場下熔體中夾雜運動規(guī)律［14］

離心力場下，夾雜運動可分為水平運動和豎直方向運動，在豎直方向上夾雜將受到動力(浮力)和阻力的作用，夾雜運動軌跡方程的通式為:

圖12 臨界補縮固相率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.12 Critical solid fraction as a function of rotational velocity

根據(jù)雜質(zhì)運動狀態(tài)不同分為3種情況，

在粘性阻力區(qū)，系數(shù)Ax為:在過渡區(qū)，系數(shù)Ax為:在壓差阻力區(qū)，系數(shù)Ax為:

夾雜在水平方向運動時，與豎直方向運動時一樣，夾雜也經(jīng)歷3個區(qū)。

圖13 數(shù)值模擬及試驗鑄件:(a)縮孔模擬三維顯示，(b)縮孔縮松模擬二維顯示，(c)試驗鑄件，(d)近中心試驗件Fig.13 Numerical simulation and test castings:a)three-dimensional display on numerical simulation of shrinkage cavities，(b)two-dimensional display on numerical simulation of shrinkage cavities，(c)test castings，and(d)test casting in the vicinity of center

夾雜運動軌跡方程的通式為:

合金熔體的粘度隨著溫度呈指數(shù)變化，溫度的降低導(dǎo)致合金熔體粘度增大，夾雜在粘性流體中將做減速運動，直到運動到合金熔體表面或由于合金熔體凝固滯留在鑄件中。

3 離心鑄造技術(shù)的改進

3.1 澆注系統(tǒng)的改進

離心力場下充型結(jié)果表明，在橫澆道中由于科氏力的作用，充型熔體沿橫澆道后壁充填，如圖5所示。根據(jù)分析，在實際設(shè)計澆注系統(tǒng)時，無論哪一種形式的澆注系統(tǒng)都沒必要設(shè)計成等截面的澆注系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)立式離心鑄造的特點，將其設(shè)計成變截面形狀的澆注系統(tǒng)更為合理。如圖14所示，這樣可以避免澆注系統(tǒng)消耗過多的合金熔體，有效地提高鑄件的工藝出品率。

圖14 離心鑄造澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式:(a)傳統(tǒng)的澆注系統(tǒng)，(b)改進的澆注系統(tǒng)Fig.14 Structure form of gating system in centrifugal casting:(a)conventional gating system，and(b)improved gating system

3.2 冒口系統(tǒng)的改進

重力場下縮孔位于鑄件最高處形成，而在離心力場下，根據(jù)縮孔形成的特點，其收縮也應(yīng)補充在壓力最小的液面上，如圖15和圖13d所示，鑄件內(nèi)等壓面的形狀呈拋物面形狀，縮孔指向旋轉(zhuǎn)中心。研究表明，等壓面和重力方向的夾角由重力和離心加速度共同決定。傾角的計算滿足下式:

圖15 冒口中縮孔形貌圖:(a)重力場下縮孔，(b)離心場下縮孔，(c)改進設(shè)計離心場下縮孔Fig.15 Morphologies of shrinkage cavities in riser:(a)shrinkage cavities in gravity field，(b)shrinkage cavities in centrifugal field，and(c)shrinkage cavities in improved centrifugal field

通過以上分析，在設(shè)計制定離心鑄造工藝時，將冒口中心的角度與重力方向夾角設(shè)計成θ角，如圖15c所示的角度最為合適，這樣可以充分利用冒口的體積，實現(xiàn)高效率補縮。

4 結(jié)語

立式離心場下鈦合金熔體的充型、凝固、缺陷形成演化規(guī)律的研究為鈦合金鑄件精密成形的理論研究與技術(shù)提高奠定了理論基礎(chǔ)，豐富了鑄件成型理論。隨著人們對立式離心場下成型理論認(rèn)識的不斷提高，在理論指導(dǎo)下的鈦合金成形技術(shù)也將逐漸改進提高，例如，在充型理論指導(dǎo)下的澆注系統(tǒng)改進，在凝固理論指導(dǎo)下冒口設(shè)計的改進，以及對立式離心鑄造旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)的改進等都顯示出理論對技術(shù)改進的指導(dǎo)作用。鈦合金鑄件多為薄壁復(fù)雜形狀的鑄件，其成形過程常導(dǎo)致的凝固組織粗大，成分不均勻等問題還需要進一研究和改進，隨著人們對細(xì)化凝固組織的研究及對偏析研究的深入，鈦合金精密成形過程出現(xiàn)的一些理論問題和技術(shù)問題將逐步得到解決。

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Research Progress on Theory and Technology Concerning Precision Forming of Titanium Alloy Castings

WU Shiping1，GUO Jingjie1，ZHANG Jun2，F(xiàn)U Hengzhi1，2
(1 School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)
(2 State Key Laboratory of Solidification，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

As the aviation，aerospace components has high specific strength of the material requirements，so as high specific strength titanium alloys in the aviation，aerospace applications，more and more of these components often used in thin-walled and complex structure.If the water-cooled crucible melting titanium alloy way，will lead to titanium melt flow is poor，therefore，centrifugal casting method of thin-walled titanium complex has become the main method of forming precision castings.The development process of theory and technology concerning precision forming of titanium alloy castings in centrifugal field was introduced，followed by a summary of the formation law of casting defects，solidification behavior and mold filling of titanium alloy in this paper，and thus the improvement scheme of vertical centrifugal casting was proposed.Finally，the development of forming theory and technology in centrifugal field was pointed out to aid future work.

Centrifugal field;Titanium alloy;Precision forming;Theory and technology

TG146.21

A

1674-3962(2011)07-0016-08

2011-03-01

國家自然科學(xué)基金(50775050);凝固技術(shù)國家重點實驗室開放基金(200702);材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室開放基金(09-04)

吳士平，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師